林巨廣，胡凱江

(合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，安徽合肥 230009)

基于ANSYS的試驗(yàn)臺底座優(yōu)化設(shè)計(jì)

林巨廣，胡凱江

(合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，安徽合肥 230009)

汽車變速箱空載試驗(yàn)臺是汽車變速箱生產(chǎn)企業(yè)常用的一種試驗(yàn)裝備。試驗(yàn)臺底座對試驗(yàn)臺整體性能具有重要的影響。介紹了優(yōu)化設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)。在原試驗(yàn)臺底座機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上，采用ANSYS對底座的各項(xiàng)靜、動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行分析，找出優(yōu)化的方向:更改底座的結(jié)構(gòu)節(jié)約了生產(chǎn)底座的材料，改變底座的約束類型提高了底座的抗震性能。并對優(yōu)化前后底座的性能進(jìn)行了比較分析。

汽車變速箱空載試驗(yàn)臺;底座結(jié)構(gòu);優(yōu)化設(shè)計(jì);有限元分析

在科技持續(xù)發(fā)展的今天，機(jī)械設(shè)計(jì)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的結(jié)合越來越密切，設(shè)計(jì)趨于復(fù)雜化、敏捷化、智能化。設(shè)計(jì)人員借助于有限元方法能夠快速準(zhǔn)確地分析出產(chǎn)品的各項(xiàng)性能指標(biāo)，通過不斷的優(yōu)化達(dá)到節(jié)約材料、改善機(jī)械性能、延長使用壽命等目的。隨著汽車工業(yè)的持續(xù)發(fā)展，人們對汽車的各項(xiàng)性能提出了越來越高的要求。試驗(yàn)臺在汽車的各項(xiàng)測試中都起著重要的作用。因此，如何設(shè)計(jì)出高性能的試驗(yàn)臺便成為汽車制造業(yè)當(dāng)前所面臨的一大難題［1］。目前試驗(yàn)臺的設(shè)計(jì)參數(shù)基于簡單的計(jì)算及設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，為安全考慮，均留有較大的余量，設(shè)計(jì)的安全系數(shù)較大，浪費(fèi)了材料，增加了設(shè)備成本。對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化具有較大的意義和應(yīng)用價(jià)值。

1 優(yōu)化設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)

1.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型表示

所謂的優(yōu)化設(shè)計(jì)是一種尋找最優(yōu)設(shè)計(jì)方案的技術(shù)［2］，優(yōu)化問題的數(shù)學(xué)模型是實(shí)際優(yōu)化設(shè)計(jì)問題的數(shù)學(xué)抽象［3］:

利用可行域的概念，可將模型進(jìn)一步簡練的表達(dá)求x使:

式(4)中:R是同時(shí)滿足hk(x)=0和gi(x)≤0的設(shè)計(jì)的點(diǎn)集合。F(x)為優(yōu)化結(jié)果。

1.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)的一般方法

在結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中，大致可分為兩類設(shè)計(jì)方法［2］:

一類優(yōu)化準(zhǔn)則法，它是從一個(gè)初始設(shè)計(jì)xi出發(fā)，著眼于在每次迭代中應(yīng)滿足的優(yōu)化條件，來得到一個(gè)更優(yōu)的設(shè)計(jì)xi+1，這種方法無需考慮約束條件，其迭代公式為:

式中:Ci為對角矩陣。

另一類設(shè)計(jì)方法是數(shù)學(xué)規(guī)劃法，它雖然也是從一個(gè)初始設(shè)計(jì)出發(fā)，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，但是按照如下迭代方法得到一個(gè)更優(yōu)的xi+1，其公式為:

式中:Δxi=aidi，ai為步長，沿di方向?qū)崿F(xiàn)對xi的修改;di為搜索方向，根據(jù)幾何概念和數(shù)學(xué)原理，由目標(biāo)函數(shù)和約束條件的局部信息狀態(tài)形成。

2 變速箱空載試驗(yàn)臺工況分析

常用的在線變速箱空載試驗(yàn)臺結(jié)構(gòu)如圖1所示，電機(jī)1通過聯(lián)軸器2與驅(qū)動(dòng)軸3直接相連，驅(qū)動(dòng)軸固定在軸承座4上，被測試工件6固定在托盤7上，托盤所在的一小節(jié)活動(dòng)線體8通過直線導(dǎo)軌9直接固定在底座上。試驗(yàn)臺工作時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化范圍1 500～2 300 r/min，因此試驗(yàn)臺需要具有良好的靜、動(dòng)態(tài)特性。

圖1 變速箱空載試驗(yàn)臺示意圖

試驗(yàn)臺底座工作過程中主要承受夾具、電機(jī)座、電機(jī)、傳動(dòng)模塊及工件的重力。由于是空載，試驗(yàn)臺工件測試時(shí)所需扭矩與電機(jī)輸出扭矩均較小，可忽略不計(jì)。

3 試驗(yàn)臺底座靜態(tài)分析與模態(tài)分析

首先建立試驗(yàn)臺底座的三維模型，然后在ANSYS中進(jìn)行模態(tài)分析，便可得到分析結(jié)果。

分析主要流程如下:

(1)進(jìn)行材料定義。底座使用的材料為普通碳鋼Q235-A，許用最大應(yīng)力235 MPa。其材料特性定義為:彈性模量E=2.12×1011MPa，泊松比μ=0.288，質(zhì)量密度ρ=7 860 kg/m3。

(2)添加約束，底座通過地腳與地面接觸，故應(yīng)添加地面的平面約束。

(3)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，然后分析結(jié)果。圖2為靜態(tài)分析應(yīng)力云圖，表1為底座的前4階固有頻率。

圖2 底座應(yīng)力云圖

表1 底座前4階固有頻率 Hz

試驗(yàn)臺工作時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速為1 500～2 300 r/min，故激振力的頻率為25～38.3 Hz。這一頻率段處于底座的2階固有頻率與3階固有頻率之間，滿足設(shè)計(jì)要求。由圖3可以看出:底座的最大應(yīng)力為1.58 MPa，遠(yuǎn)小于許用應(yīng)力235 MPa。

圖3 上平板結(jié)構(gòu)優(yōu)化應(yīng)力云圖

4 底座的優(yōu)化設(shè)計(jì)

通過底座應(yīng)力云圖可以看出:底座最大應(yīng)力很小，而且在結(jié)構(gòu)上存在冗余;橫梁位置幾乎沒有應(yīng)力;2、3階固有頻率與工作頻率接近。以下主要從3個(gè)方向進(jìn)行優(yōu)化:

(1)盡量減少上平板的材料。

(2)在豎直方向上減小橫梁的尺寸。

(3)增加、減少約束或改變約束類型以提高底座的抗震性能。

在優(yōu)化設(shè)計(jì)的過程中，存在優(yōu)化的約束條件，即不改變底座的主要外形尺寸。

4.1 減少底座上平板材料的優(yōu)化設(shè)計(jì)

通過靜力分析可以看出:底座上平面板部分區(qū)域受應(yīng)力極小，可適當(dāng)進(jìn)行優(yōu)化，但由于是在線設(shè)備，底座的主要尺寸及與其他部件連接處尺寸不能改變。圖3所示為上平板優(yōu)化后的底座結(jié)構(gòu)。通過ANSYS分析得出其各階固有頻率及最大應(yīng)力，分析結(jié)果如表2所示。

表2 上平板結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析表 Hz

從分析結(jié)果中可以得出:優(yōu)化后的底座最大應(yīng)力為1.95 MPa，略有提高但仍遠(yuǎn)小于許用應(yīng)力;其前4階固有頻率稍有提高但變化很小，并且優(yōu)化后的各階固有頻率能夠避開試驗(yàn)臺的工作頻率段，符合設(shè)計(jì)要求。

4.2 對橫梁的優(yōu)化

從圖3可以看出:橫梁所受應(yīng)力及變形仍然很小，可對其進(jìn)行優(yōu)化。但考慮到設(shè)備的美觀，可以在豎直方向上減小橫梁的高度，原橫梁選用的是200 mm×100 mm的冷彎矩形空心鋼，豎直方向高度為200 mm。下面分別選取180 mm×100 mm，150 mm× 100 mm，100 mm×100 mm，采用同樣的方法進(jìn)行分析。

從表3中可以看出:降低橫梁豎直方向高度對各階頻率的影響較小，符合試驗(yàn)臺底座對各階固有頻率的要求，隨著橫梁高度的減小最大應(yīng)力有所增大，但仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于許用應(yīng)力。

表3 不同型號橫梁分析結(jié)果表

4.3 地腳約束類型的優(yōu)化

在工程中常用的地腳有兩種:一種是固定式地腳，即底座通過地腳完全固定在地面上，地腳與地面間采用螺釘連接或焊接;另一種是浮動(dòng)式地腳，即地面與地腳間只是接觸而不存在螺釘或焊接。原底座為了移動(dòng)方便采用的是浮動(dòng)式地腳。在優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中分析了兩種地腳對底座固有頻率的影響，如表4所示。

表4 地腳約束優(yōu)化分析表

從表4中可以很明確地看出:改變地腳約束類型對試驗(yàn)臺底座的固有頻率影響較大，增加約束能夠很大程度上提高底座的固有頻率;且改變地腳約束類型后，底座的各階固有頻率遠(yuǎn)高于試驗(yàn)臺工作頻率范圍25～38.3 Hz，提高了底座的抗震性能。

5 優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果

通過以上3步減少了底座的材料用量，由原來的563 kg減少到417 kg，節(jié)約了146 kg。將原來底座的前4階固有頻率均提高到350 Hz以上，遠(yuǎn)離了試驗(yàn)臺的工作頻率，極大地提高了試驗(yàn)臺的抗震性能。底座優(yōu)化設(shè)計(jì)的最終結(jié)果如圖4所示。

圖4 底座優(yōu)化設(shè)計(jì)最終結(jié)果

6 總結(jié)

利用有限元分析軟件ANSYS對試驗(yàn)臺底座進(jìn)行了分析，獲得其應(yīng)力分布圖及前4階固有頻率，找出了原設(shè)計(jì)的不足之處，為底座的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。對結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化后，使用材料減少了25.9%;改變底座與地面的連接類型并增加了約束，明顯地提高了底座的固有頻率，使其前4階固有頻率均大于350 Hz，遠(yuǎn)離試驗(yàn)臺的工作頻率。同時(shí)底座的最大應(yīng)力由原來的1.58 MPa增加到了2.87 MPa，但仍遠(yuǎn)小于許用應(yīng)力235 MPa。將優(yōu)化后的底座應(yīng)用于某變速器公司在線變速箱空載試驗(yàn)臺中，試驗(yàn)臺自2012年底投入使用以來工作可靠，性能穩(wěn)定。

【1】王文輝，謝峰.基于有限元分析的試驗(yàn)臺底座優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.機(jī)械，2011，38(2):41－45.

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Optimal Design for the Base of Test-bed Based on ANSYS

LIN Juguang，HU Kaijiang
(School of Mechanical and Automobile Engineering，Hefei University of Technology，Hefei Anhui 230009，China)

No-load shift box test-bed is one kind of the most commonly used test-bed in shift box manufacturing companies.The base has an important influence on the test-bed.The theoretical basis of the optimal design was introduced briefly.Based on the structure of the original base of test-bed，the direction for the optimal design was found out by analyzing its static and dynamic performances with ANSYS.Material was saved by changing the structure of the base and the seismic performance was improved by changing the constrained type of the base.At last，the performance of the optimized base was compared with the original one.

No-load shift box test-bed;Bed structure;Optimal design;FEM analysis

TH122

A

1001－3881(2014)8－003－3

10.3969/j.issn.1001－3881.2014.08.002

2013－03－28

國家重點(diǎn)新產(chǎn)品計(jì)劃項(xiàng)目 (2012GRC30002);國家火炬計(jì)劃項(xiàng)目(2011GH041242)

林巨廣 (1963—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事汽車自動(dòng)化裝備、汽車試驗(yàn)臺等方面研究。E－mail:linjuguang@jee.com.cn。